Qu’est-ce qu’un cristal?
Gros plan d’une géode d’améthyste (dlinca, iStockphoto)
Gros plan d’une géode d’améthyste (dlinca, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Les cristaux ne sont pas de simples roches ou minéraux. Leur structure moléculaire bien organisée est tout aussi importante que les molécules qu’ils renferment.
Qu’est-ce qu’un cristal?
En entendant le mot « cristal » ou « cristaux », on pense généralement à des minéraux de couleur, mais le graphite dans les crayons, le sel de table et la neige sont également des cristaux.
Une structure moléculaire extrêmement bien organisée est le point commun de tous les cristaux. Tous les atomes (ou ions) d’un cristal sont agencés de sorte qu’un même motif se répète. Par exemple, dans le cas du sel de table (NaCl), les cristaux sont composés de cubes d’ions de sodium (Na) et d’ions de chlore (Cl). Chaque ion de sodium est entouré de six ions de chlore et chaque ion de chlore est entouré de six ions de sodium. Cette structure très répétitive est précisément ce qui en fait un cristal!
La composition moléculaire varie d’un minéral à l’autre et est à l’origine de structures de différentes formes. Le sel de table forme naturellement des cristaux cubiques. Les cristaux de quartz, composés de molécules de dioxyde de silicium (SiO2), forment des prismes hexagonaux aux deux extrémités de pyramides hexagonales. La neige est un type de cristal de glace composé de molécules d’eau (H2O) formant des cristaux plats hexagonaux.
Importance de la structure cristalline
La structure cristalline est tout aussi importante pour le cristal que les molécules qu’il renferme. Son importance saute aux yeux lorsque l’on compare différents cristaux de carbone. Par exemple, les diamants sont transparents et tellement durs qu’ils peuvent couper le verre. Quant au graphite, il est foncé, opaque et tellement tendre que de minuscules fragments se déposent sur le papier quand on écrit au crayon Ce qui est fascinant, c’est que ces deux cristaux sont faits de carbone pur!
Alors, comment deux matériaux si différents peuvent-ils être composés des mêmes atomes? La différence entre eux tient à leur structure cristalline. Dans le graphite, les atomes de carbone constituent des feuilles superposées. Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone selon la combinaison la plus dense possible. Mais pourquoi ces atomes de carbone sont-ils si comprimés? C’est parce que les diamants se forment dans les profondeurs de la terre, où une très forte pression s’exerce sur le carbone, si bien que les atomes forment une structure cristalline extrêmement dense.
Le savais-tu?
La dureté des minéraux se mesure selon l’échelle de Mohs, qui va de 1 à 10. Le diamant est le seul minéral qui a une dureté de 10 sur cette échelle. En comparaison, le graphite a une dureté de 1!
Comment les cristaux se forment-ils?
Les cristaux peuvent se former de différentes façons. Certains cristaux de minéraux se forment lorsque le carbone fondu sous haute pression refroidit rapidement. C’est le mode de formation des diamants.
D’autres cristaux se forment lorsque le liquide d’une solution s’évapore. C’est le mode de formation du cristal de quartz violet appelé « améthyste ». L’améthyste se forme à partir d’une solution de dioxyde de silicium (SiO2) très concentrée renfermant des traces de fer, qui est piégée à l’intérieur d’une bulle de lave. Lorsque l’eau s’évapore, les ions de silicium et d’oxygène s’agencent lentement pour former un cristal. C’est le fer qui donne à l’améthyste sa couleur violette.
Toutefois, les cristaux ne peuvent se former au milieu d’un liquide. Ils ont besoin d’un point de départ pour prendre du volume et peuvent commencer à grossir après la formation d’un noyau. Le noyau cristallin, parfois appelé « cristal germe », apparaît suivant le processus de nucléation. Dans le cas de l’améthyste, ses cristaux se forment à l’intérieur de bulles de lave. Les roches renfermant des cristaux se solidifient lorsque ces bulles de lave refroidissent. Ce type de structure est appelé « géode ».
Le savais-tu?
Tu pourrais créer toi-même des cristaux chez toi ou en laboratoire, mais il faut avoir un point de départ pour qu’ils se forment. C’est pourquoi certaines trousses pour la formation de cristaux comprennent une roche servant de site de nucléation. Les scientifiques qui créent des cristaux en laboratoire éraflent souvent l’intérieur de l’éprouvette pour créer un site de nucléation. En effet, les cristaux ne peuvent pas croître aussi facilement sur la surface lisse du verre.
Une fois la nucléation amorcée, les cristaux peuvent atteindre une bonne taille s’il y a de la place et que les conditions sont stables. Toutefois, on trouve les plus gros cristaux sous terre, dans d’immenses grottes de géodes souvent découvertes par hasard par des mineurs au cours d’opérations de forage visant à trouver d’autres types de minéraux.
Le savais-tu?
Des cristaux géants ont été découverts en 2000 dans une mine d’argent et de zinc au Mexique. Ces cristaux de gypse géants atteignent une longueur de 11 mètres!
Résumons…
Alors, qu’est-ce que des bijoux élégants, les crayons et la neige ont en commun? Ils sont tous composés de cristaux. La prochaine fois que tu verras un de ces objets, rappelle-toi qu’ils sont le résultat d’un processus chimique fascinant.
Amorces de discussion
- Utilises-tu des cristaux dans la vie de tous les jours? Nomme certaines utilisations courantes de cristaux.
- As-tu déjà créé des cristaux chez toi ou à l’école? Le cas échéant, de quel type de cristaux s’agissait-il?
- On fabrique du cristal synthétique, par exemple le zircon cubique, depuis des dizaines d’années. Alors que l’exploitation des ressources de la Terre s’intensifie, ne devrait-on pas se tourner davantage sur l’utilisation de cristaux synthétiques? Justifie ta réponse.
- Quel est le lien entre leur structure cristalline et différentes applications industrielles des cristaux? Cite des exemples précis.
- Comment est-il possible que deux cristaux de minéraux composés des mêmes molécules soient différents? Explique ta réponse.
- Explique comment la nucléation conduit à la formation de cristaux.
- Quel est le lien entre la dureté d’un minéral et sa structure cristalline?
- Explique le processus de formation des géodes.
- À l’échelle mondiale, on trouve dans la nature de nombreux types de cristaux différents. Pourquoi les scientifiques souhaiteraient-ils en créer de nouveaux types? Quelles applications pourraient avoir de nouveaux cristaux synthétiques? (Remarque : Il te faudra faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
- Dans le film Indiana Jones et le Royaume du crâne de cristal (2008), des extraterrestres possédant des pouvoirs spéciaux ont en main des crânes de cristal. En quoi cette intrigue va-t-elle à l’encontre de certaines propriétés fondamentales d’un cristal? Les cristaux pourraient-ils avoir des pouvoirs spéciaux? Explique ta réponse.
- L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie et de la science de la Terre et de l’environnement, particulièrement en ce qui a trait aux cristaux, aux roches et aux minéraux. Ils introduisent les concepts de minéraux, de structure moléculaire, d’atomes, de solution, de nucléation et de géode.
- Après les élèves peuvent lire l’article, l’enseignant ou enseignante peut utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur un tournoi à la ronde – mes questions pour aider les élèves à regrouper l’information apprise récemment. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en format [Google doc] ou [.pdf].
- Pour consolider davantage les acquis, l’enseignant ou enseignante peut demander aux élèves d’élaborer une toile de définition du concept de cristal. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept en format [Google doc] ou [.pdf].
- Le sujet se prête à l’observation de cristaux et de géodes véritables. L’enseignant ou enseignante peut demander aux élèves d’apporter des cristaux ou des géodes qu’ils pourraient avoir à la maison pour les montrer à leurs camarades.
- Pour approfondir le sujet, les élèves peuvent faire en groupe une recherche sur les diverses utilisations et applications de différents types de cristaux. Pour résumer et présenter leur recherche, ils peuvent créer des organisateurs graphiques ou des infographies.
Faire des liens
- Utilises-tu des cristaux dans la vie de tous les jours? Nomme certaines utilisations courantes de cristaux.
- As-tu déjà créé des cristaux chez toi ou à l’école? Le cas échéant, de quel type de cristaux s’agissait-il?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
- On fabrique du cristal synthétique, par exemple le zircon cubique, depuis des dizaines d’années. Alors que l’exploitation des ressources de la Terre s’intensifie, ne devrait-on pas se tourner davantage sur l’utilisation de cristaux synthétiques? Justifie ta réponse.
- Quel est le lien entre leur structure cristalline et différentes applications industrielles des cristaux? Cite des exemples précis.
Explorer les concepts
- Comment est-il possible que deux cristaux de minéraux composés des mêmes molécules soient différents? Explique ta réponse.
- Explique comment la nucléation conduit à la formation de cristaux.
- Quel est le lien entre la dureté d’un minéral et sa structure cristalline?
- Explique le processus de formation des géodes.
Nature de la science et de la technologie
- À l’échelle mondiale, on trouve dans la nature de nombreux types de cristaux différents. Pourquoi les scientifiques souhaiteraient-ils en créer de nouveaux types? Quelles applications pourraient avoir de nouveaux cristaux synthétiques? (Remarque : Il te faudra faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
Littératie médiatique
- Dans le film Indiana Jones et le Royaume du crâne de cristal (2008), des extraterrestres possédant des pouvoirs spéciaux ont en main des crânes de cristal. En quoi cette intrigue va-t-elle à l’encontre de certaines propriétés fondamentales d’un cristal? Les cristaux pourraient-ils avoir des pouvoirs spéciaux? Explique ta réponse.
Suggestions pour l'enseignement
- L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie et de la science de la Terre et de l’environnement, particulièrement en ce qui a trait aux cristaux, aux roches et aux minéraux. Ils introduisent les concepts de minéraux, de structure moléculaire, d’atomes, de solution, de nucléation et de géode.
- Après les élèves peuvent lire l’article, l’enseignant ou enseignante peut utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur un tournoi à la ronde – mes questions pour aider les élèves à regrouper l’information apprise récemment. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en format [Google doc] ou [.pdf].
- Pour consolider davantage les acquis, l’enseignant ou enseignante peut demander aux élèves d’élaborer une toile de définition du concept de cristal. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept en format [Google doc] ou [.pdf].
- Le sujet se prête à l’observation de cristaux et de géodes véritables. L’enseignant ou enseignante peut demander aux élèves d’apporter des cristaux ou des géodes qu’ils pourraient avoir à la maison pour les montrer à leurs camarades.
- Pour approfondir le sujet, les élèves peuvent faire en groupe une recherche sur les diverses utilisations et applications de différents types de cristaux. Pour résumer et présenter leur recherche, ils peuvent créer des organisateurs graphiques ou des infographies.
En savoir plus
Cohésion des cristaux moléculaires (2014) Lesbonprofs.com -- La chimie expliquant comment les molécules à l'intérieur des cristaux se collent, décrite à l'aide d'un tableau (vidéo, 3 min 50 sec)
Le cristal, le trésor des montagnes (2018) France TV -- Explique, à l'aide d'animations, comment les cristaux se sont formés il y a des millions d'années (vidéo, 6 min 45 sec)
Références
Aldrich, K. (2018, mars 13). How are amethyst geodes formed? Sciencing.
Baggaley, K. (2012, novembre 20). Where do geodes come from? Scienceline.
Berkeley University. (n.d.). What is a crystal?
Clark, J. (2012, octobre). Ionic structures. Chemguide.
Gem Select. (2019, janvier 22). Diamond and graphite.
Helmenstine, A. M. (2019, mai 6). How to grow crystals - Tips and techniques. ThoughtCo.